[發明專利]一種微波透射式油中微量水分在線檢測系統及其檢測方法

有效

• 申請號: 202110963409.3
• 申請日: 2021-08-20
• 公開（公告）號: CN113655075B
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 曾群鋒;李高鎧
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N22/04
• 分類號: G01N22/04
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 弋才富

1.一種微波透射式油中微量水分高精度在線檢測系統，包括上外殼(1)和下外殼(2)扣合在一起形成的設備外殼(20)，其特征在于，設備外殼(20)內部安裝有鋰電池(40)和檢測系統電路板(30)，以及與檢測系統電路板(30)信號連接并位于設備外殼(20)外部的試樣檢測模塊(90)，其中檢測系統電路板(30)通過定位孔安裝在上外殼(1)內部，鋰電池(40)安裝在下外殼(2)內部，鋰電池(40)為檢測系統電路板(30)提供12V的直流電能；

所述的檢測系統電路板(30)包括電源模塊(50)、數據處理模塊(60)、信號采集模塊(70)和微波器模塊(80)；電源模塊(50)的輸入端與鋰電池(40)連接，電源模塊(50)的輸出端與數據處理模塊(60)、信號采集模塊(70)和微波器模塊(80)連接進行供電；數據處理模塊(60)與信號采集模塊(70)連接并接收信號采集模塊(70)發送的數據進行微量水分的計算，同時數據處理模塊(60)將微量水分計算結果實時顯示；信號采集模塊(70)與微波器模塊(80)連接接收微波器模塊(80)的電壓信號并通過信號轉換輸出數字信號發送給數據處理模塊(60)；微波器模塊(80)與試樣檢測模塊(90)連接，通過發射和接收微波信號檢測微波信號功率的衰減，并將發射端與接收端的功率值分別轉換為對應的電壓值輸出給信號采集模塊(70)；

所述試樣檢測模塊(90)包括發射端天線(901)、接收端天線(903)和試樣測試容器(902)，發射端天線(901)接收微波器模塊(80)產生的微波信號并將微波信號發射到空氣當中，接收端天線(903)接收發射端天線(901)所發射的微波信號并將微波信號傳輸到微波器模塊(80)，所述微波信號透射穿過試樣測試容器(902)中的被測試樣發生功率衰減，試樣測試容器(902)放置被測油品試樣并固定被測試樣的體積，發射端天線(901)和接收端天線(903)分別安裝在試樣測試容器(902)的兩端；

所述數據處理模塊(60)包括單片機最小系統(601)、顯示屏模塊(602)、調試串口(603)和功能按鍵(604)；

單片機最小系統(601)，用于接收信號采集模塊發送的16位數據，所述16位數據為信號采集模塊將從微波器模塊采集的模擬電壓信號轉換而來的一組數字信號；同時所述單片機最小系統通過內部微量水分計算程序將所述16位數據計算得到被測試樣的微量水分信息并發送給顯示屏模塊；所述單片機最小系統還通過功能按鍵與調試串口進行程序功能的選擇以及程序的調試和燒寫；

顯示屏模塊(602)，用于動態顯示被測試樣微量水分的數值、鋰電池剩余電量信息以及警告信息；

調試串口(603)，用于將檢測系統電路板與外部上位機連接，進行程序調試、程序燒寫以及將檢測系統電路板的數據發送給上位機；

功能按鍵(604)，用于選擇單片機最小系統（ 601） 中的程序的功能，實現顯示數值、記錄曲線和水分超標警告檢測功能以及程序的調試；

所述信號采集模塊(70)包括第一運算放大器(701)、第二運算放大器(702)、減法器(703)、ADC芯片(704)；

第一運算放大器(701)，用于對第一對數檢波器(805)輸出電壓進行可調倍數放大，使第一運算放大器(701)的輸出電壓恰好為3.3V，所述第一運算放大器(701)輸出電壓作為微量水分計算過程中的基準值即未經衰減的微波功率值；

第二運算放大器(702)，用于對第二對數檢波器(809)輸出電壓進行可調倍數放大，使第二運算放大器(702)的輸出電壓在試樣測試容器中未裝入被測試樣時為3.3V，即此時第一運算放大器(701)和第二運算放大器(702)的輸出電壓差值為0；

減法器(703)，用于將第一運算放大器(701)和第二運算放大器（ 702） 的輸出電壓作差，做差后的電壓被放大100倍輸出到ADC芯片(704)；

ADC芯片(704)，用于采集減法器(703)輸出的電壓信號，將電壓信號轉換成對應的16位數字信號，通過SPI協議發送數據給單片機最小系統；

所述微波器模塊(80)包括壓控振蕩器(801)、可變增益放大器(802)、第一帶通濾波器(803)、第一定向耦合器(804)、第一對數檢波器(805)、帶線隔離器(806)、第二帶通濾波器(807)、第二定向耦合器(808)、第二對數檢波器(809)、負電壓電源(810)和精密可調電阻(811)；

壓控振蕩器(801)，用于產生10GHz微波信號；

可變增益放大器(802)，用于對壓控振蕩器(801)輸出的微波信號進行可控制增益的放大或衰減以達到控制發射功率的目的；所述可變增益放大器(802)的增益控制電壓由負電壓電源提供并通過精密可調電阻進行精密調節實現-3.3V至-1V之間變化，其增益值在-2dB至16dB之間變化；

第一帶通濾波器(803)，用于對發射端微波信號進行帶通濾波，以減少微波信號的諧波噪聲；

第一定向耦合器(804)，用于耦合發射端傳輸線上的微波信號功率，所述耦合得到的微波信號功率反映了發射端微波信號功率的數值；

第一對數檢波器(805)，用于檢測第一定向耦合器（ 804） 輸出的微波信號功率并輸出對應的直流電壓，以反映其接收的微波信號功率大小；

帶線隔離器(806)，用于隔離發射端的反射信號，使反射信號無法返回到第一定向耦合器(804)；

第二帶通濾波器(807)，用于對接收端微波信號進行帶通濾波；

第二定向耦合器(808)，用于耦合接收端傳輸線上的微波信號功率；

第二對數檢波器(809)，用于檢測第二定向耦合器（ 808 ） 輸出的微波信號功率并輸出對應的直流電壓，以反映其接收的微波信號功率大小；

負電壓電源(810)，用于產生-3.3V直流電壓為可變增益放大器(802)的增益控制端、柵極控制端提供負電壓；

精密可調電阻(811)，用于組成串聯分壓電路，使輸出到可變增益放大器（ 802） 增益控制端的電壓在-3.3V至-1V之間變化；

所述第一帶通濾波器(803)和第二帶通濾波器(807)是一種微帶線器件，其3dB帶寬為9GHz-11 GHz，中心頻率為10GHz，在10GHz的插入損耗為0.7dB，所述第一帶通濾波器(803)和第二帶通濾波器(807)的結構采用階躍阻抗線與平行耦合線相結合的方式，其結構為：輸入端口(1001)、第一階躍阻抗諧振器(1002)、交指平行耦合線(1003)、第二躍阻抗諧振器(1004)和輸出端口(1005)依次連接，第一帶通濾波器(803)的輸入端口連接可變增益放大器(802)，輸出端口連接第一定向耦合器(804)，第二帶通濾波器(807)的輸入端口連接接收端天線(903)，輸出端口連接第二定向耦合器(808)；

所述設備外殼的上外殼(1)與下外殼(2)采用非對稱的結構，上外殼(1)與下外殼(2)的配合面采用內外交錯扣合的方式，上外殼(1)與下外殼(2)采用螺絲進行固定；

所述上外殼(1)用于固定檢測系統電路板并為檢測系統電路板的結構件留出開口，所述上外殼（ 1） 的開口包括顯示屏模塊開口(3)、功能按鍵開口(4)、微波器模塊發射端開口(9)和微波器模塊接收端開口(10)，另外還包括檢測系統電路板固定孔(5)、防反裝結構(6)和上下外殼安裝孔(7)；

所述下外殼(2)用于固定鋰電池并為鋰電池結構件留出開口，所述下外殼開口包括電源開關開口(8)、鋰電池充電開口(11)、防反裝結構(6)和上下外殼安裝孔(7)；

所述信號采集模塊(70)利用微波器模塊中的第一對數檢波器(805)和第二對數檢波器(809)的輸出電壓作為信號處理和采集對象，第一對數檢波器(805)和第二對數檢波器(809)的輸出電壓先分別經過第一運算放大器(701)和第二運算放大器(702)的放大，在沒有任何被測試樣加入時，第一運算放大器(701)和第二運算放大器(702)的輸出電壓相等，當加入含水的被測試樣時，第二對數檢波器(809)的輸出電壓發生衰減從而第二運算放大器(702)的輸出電壓也減小，此時第一運算放大器(701)的輸出電壓和第二運算放大器(702)的輸出電壓產生差異，經過減法器(703)作差并放大100倍后輸入ADC芯片(704)進行電壓采集，減法器(703)的輸出電壓與輸入電壓的關系為V_OUT＝100*(V_IN+-V_IN-)，其中V_OUT為減法器(703)輸入到ADC芯片(704)的電壓，V_IN+為第一運算放大器(701)的輸出電壓，V_IN-為第二運算放大器(702)的輸出電壓，ADC芯片(704)進行電壓采集的ADC采集值變化范圍為0-65535，若將(V_IN+-V_IN-)記為ΔV，則ADC采集值data與電壓差ΔV的關系為

2.根據權利要求1所述的一種微波透射式油中微量水分高精度在線檢測系統的檢測方法，包括以下步驟：

將被測油品加入試樣測試容器(902)并使油面高度達到試樣測試容器(902)內的刻度線，然后開啟檢測系統的電源開關，系統上電后產生頻率為10GHz的微波信號，通過發射端天線(901)和接收端天線(903)發射和接收微波信號就可使微波信號在透射過被測油品時發生功率的衰減，通過第一對數檢波器(805)與第二對數檢波器(809)分別對微波器模塊(80)的發射機和接收機進行檢波得到發射端天線(901)發射的微波信號功率值和接收端天線(903)接收的微波信號功率值并輸出對應的直流電壓信號，發射機與接收機微波信號功率值對應的電壓信號再經過第一運算放大器(701)和第二運算放大器(702)的放大實現微波信號沒有衰減時兩路電壓信號沒有電壓差，當微波信號產生功率衰減后第二運算放大器(702)的輸出電壓即接收機微波信號功率的檢波電壓逐漸減小，兩路電壓產生差異之后通過減法器(703)電路將兩路電壓信號先作差后放大，使微波功率的微弱衰減量進一步放大實現高精度檢測，再將代表微波信號功率衰減量的電壓信號通過16位ADC芯片(704)采集得到高精度的數據，并將數據發送到單片機最小系統(601)代入提前標定的微量水分與ADC采集值的關系式可得到微量水分檢測結果，最后通過顯示屏模塊(602)將微量水分信息進行展示。